Um feixe acelerador de alta intensidade éformado por trilhaµes departículas que correm a  velocidade da luz por um sistema de a­ma£s poderosos e supercondutores de alta energia. Calcular a física do feixe étão complexo que nem mesmo os supercomputadores mais rápidos conseguem acompanhar.

No entanto, uma conquista importante por fa­sicos aceleradores do Laborata³rio Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) permitiu que as caracterizações de feixe fossem estudadas em novos detalhes extraordina¡rios. Eles usaram uma técnica de medição recentemente desenvolvida para entender melhor a perda do feixe -partículas perdidas que viajam para fora dos campos de confinamento do acelerador . Mitigar a perda do feixe éfundamental para obter aceleradores mais poderosos em escalas menores e custos mais baixos.

"a‰ um problema que nos assombra hámais de 20 anos", disse o fa­sico do acelerador ORNL Alexander Aleksandrov. "A perda de feixe éprovavelmente o maior problema para aceleradores de alta intensidade, como o Large Hadron Collider no CERN e a Spallation Neutron Source (SNS) aqui em Oak Ridge."

Operando a 1,4 megawatts, o SNS éuma das principais instalações de pesquisa do DOE que aproveita os naªutrons para estudar energia e materiais em escala atômica. Os naªutrons são criados no SNS impulsionando grupos, ou pulsos, de pra³tons a quase 90 por cento da velocidade da luz no acelerador linear da instalação - ou linac. No final do linac, os pulsos de feixe de pra³tons se chocam contra um recipiente de metal cheio de mercaºrio la­quido em turbilha£o a uma taxa de 60 vezes por segundo.

As colisaµes atômicas criam fragmentos de naªutrons - cerca de 20 naªutrons por pra³ton. Os naªutrons então voam atravanãs de moderadores de energia e ca¢maras de va¡cuo para os instrumentos circundantes, onde os cientistas os usam para estudar como os a¡tomos de um material estãodispostos e como se comportam. Essencialmente, aumentar a potaªncia do acelerador aumenta o número de naªutrons criados, o que, por sua vez, aumenta a produtividade cienta­fica da instalação e permite novos tipos de experimentos.

"O ideal éque todas aspartículas do feixe sejam concentradas em uma única nuvem muito compacta. Quando aspartículas se dispersam, elas formam nuvens de baixa densidade, chamadas de halo de feixe. Se o halo ficar muito grande e tocar as paredes de o acelerador, que resulta na perda do feixe e pode criar efeitos de radiação e outros problemas ", disse Aleksandrov.

Em vez de fazer as medições no SNS, a equipe usou uma ranãplica do SNS linac no Beam Test Facility do ORNL. O uso de uma ranãplica permite que os pesquisadores conduzam estudos de física avana§ados no acelerador sem interromper os experimentos nas instalações de produção de naªutrons reais.

A técnica de medição avana§ada ébaseada na mesma abordagem que os pesquisadores usaram em 2018 para fazer a primeira medição do feixe do acelerador departículas em seisDimensões . Enquanto o espaço 3-D inclui pontos nos eixos x, y e z para medir a posição, o espaço 6D tem três coordenadas adicionais para medir o a¢ngulo de uma parta­cula, ou trajeta³ria.

"A técnica ébastante simples. Pegamos um bloco de material com várias fendas que usamos para cortar pequenas amostras do feixe. Isso nos fornece um feixe de luz contendo um número menor e mais gerencia¡vel departículas que podemos medir , e podemos mover esse bloco para medir outras seções do feixe ", disse Aleksandrov.

As amostras de feixe foram extraa­das de um dos principais componentes de aceleração do linac, chamado linha de transporte de feixe de energia média, ou MEBT. A ranãplica MEBT, com cerca de 4 metros de comprimento, inclui um raspador de feixe para reduzir o halo inicial do feixe e oferece mais espaço do que os MEBTs ta­picos para outras ferramentas de diagnóstico.

"Mas, em vez de cortar o espaço de fase 6D, desta vez nosapenas cortamos amostras no espaço de fase bidimensional", disse ele. "Basicamente, se vocêpode medir em seisDimensões com resolução razoa¡vel, então vocêpode medir emDimensões menores com resolução muito maior."

Usando as medições 6D como uma abordagem de linha de base, medir em 2-D desbloqueou umnívelradicalmente melhorado de resolução de 1 parte por milha£o. Uma parte por milha£o ésignificativa para os aceleradores modernos por duas razaµes, de acordo com Aleksandrov. a‰ a densidade máxima permitida na qual o halo do feixe égerencia¡vel e éonívelde resolução, ou faixa dina¢mica, necessa¡rio para validar e construir simulações de modelagem de computador mais precisas do efeito do halo do feixe.

"No passado, a modelagem de feixe nestenívelera uma tarefa impossí­vel porque os computadores não eram capazes de calcular bilhaµes departículas; e agora eles podem, mas não pode ser feito com precisão sem essas distribuições iniciais de feixe", disse Kiersten Ruisard , um pesquisador de pa³s-doutorado de Clifford G. Shull no ORNL. "Nãoconhecemos nenhum modelo que preveja os padraµes de perda do feixe medidos no acelerador real. Testar nossos modelos com essenívelde precisão sem precedentes énecessa¡rio para construir simulações mais robustas que nos ajudara£o a mitigar essas perdas."

Medir o feixe em uma energia relativamente baixa de 2,5 megaeletronvolts forneceu aos pesquisadores insights sobre como modelar o feixe em energias mais altas. Aleksandrov disse que já estãotrabalhando no pra³ximo aprimoramento da técnica, que envolvera¡ o uso de lasers para medir o feixe com uma energia significativamente maior de 1 gigaeletronvolt. Essa atualização ainda vai demorar alguns anos.

Os resultados da pesquisa da equipe são publicados na revista cienta­fica Nuclear Instruments & Methods in Physics Research . Além de Aleksandrov, Cousineau e Ruisard, os autores do artigo incluem Alexander Zhukov do ORNL.

"Embora pudanãssemos fazer aceleradores da classe de 100 megawatts agora, não éprático. Eles seriam muito grandes e muito caros", disse a física Sarah Cousineau, chefe da seção de ciência e tecnologia da Divisão de Aceleradores de Pesquisa do ORNL. "Melhorar a resolução da medição para na­veis mais altos não apenas nos permite progredir no entendimento e simulação do halo do feixe , mas também avana§a nosso entendimento de como tornar os aceleradores mais poderosos, em escalas menores e com custos muito mais razoa¡veis."